掘进工作面如何实现高效降尘

百科 2024-12-02 23:11 中国

煤矿粉尘存在浓度大、粒径小、游离二氧化硅含量高三大特点。井下粉尘浓度每立方米能超过1000毫克，粒径5微米以下呼吸性粉尘占比超过30%。岩巷中，粉尘的游离二氧化硅含量普遍超过30%。煤矿粉尘防治难度较大。

游离二氧化硅是造成尘肺病的元凶。呼吸性粉尘进入肺部后，游离二氧化硅引起肺部广泛纤维化，肺会变得像石块一样坚硬，逐渐失去呼吸功能。现有的治疗手段仅能减缓病情进展，不能逆转病程。因此，在掘进工作面高效防治粉尘，对尘肺病预防至关重要。

此外，粉尘具有爆炸隐患，易引发安全事故；高浓度粉尘会引起操作人员视线受阻，能见度不足1米，产生安全隐患；煤矿粉尘还会引起电器件短路、机械件磨损，影响井下设备可靠性；影响基于光学、微波原理的传感器性能，制约煤矿智能化快速发展。如今，高效治理煤矿粉尘已迫在眉睫。

源头入手实现综合治理

掘进工作面粉尘治理涉及瓦斯治理、通风安全等多方面，单一的粉尘治理措施无法保证治理效果，必须从粉尘产生源头、扩散路径以及个体防护等多方面进行综合治理。

粉尘防治关键技术主要包括源头减尘（截割产尘）、路径降尘（喷雾/泡沫降尘）、路径控尘（空气幕控尘）、个体防尘（个体防护）和集中除尘（干/湿式除尘器除尘）。

在源头减尘方面，一为优化截割参数，减少粉尘含量。截齿在截割煤岩过程中，与煤岩接触形成“密实核”。当岩屑崩落时，“密实核”承受的压力突然释放，产生向四周飞溅的粉尘。因此，应增加截割深度、优化截齿位姿以减小“密实核”尺寸、优化截割滚筒布局和截割工艺以减少岩石的过度破碎，从源头上降低粉尘产生量。

二为水射流辅助截割，控制粉尘逃逸。在截齿与煤岩接触点附近布置高压水射流，在“密实核”承受的压应力释放之前对其进行润湿、捕获，从源头上降低粉尘浓度。目前，由于密封承压不足、镐形截齿形态限制，水射流难以直接作用于“密实核”，技术更多处于实验室阶段。

在路径降尘方面，一为喷雾降尘。利用水滴的拦截作用，对流经水滴附近的粉尘进行捕集。通过改进喷嘴结构、提高喷雾压力、加入压缩空气等手段降低水滴的直径、提高水滴的雾化效果，能提高降尘率。喷雾降尘设备结构简单、成本低，适用于所有矿井。

二为泡沫降尘。在喷雾降尘的基础上，加入表面活性剂和压缩空气，形成泡沫捕集体，增大捕集体的表面积、改善捕集体表面的吸附性能，可使降尘率最高达95%。泡沫降尘适用于所有类型的瓦斯矿井。

在路径控尘方面，一为负压抽出式控尘。负压抽出式通风会在掘进迎头产生负压区，巷道内空气在压差作用下形成向掘进迎头逐渐推出的风幕，使粉尘完全抑制在吸风口和掘进迎头，最后由负压风筒定向排除，控尘效果较好。但这种方式无法满足瓦斯排放要求，无法在瓦斯矿井使用。

二为附壁风筒高效控尘。采用长压短抽通风方式，结合附壁风筒实施控尘。附壁风筒原理为将原压入的轴向风流改变为沿巷道壁的旋转风流。中国煤炭科工集团相关团队立足煤矿采掘机械装备国家工程实验室，在模拟巷道内对附壁风筒的抽风量、风口位置、附壁风筒开度等工艺参数进行了优化研究，获取了最佳的参数匹配关系。

在集中除尘方面，一为应用湿式除尘器。基于多层金属丝网的湿式除尘器，具有体积小、适应巷道能力强的优点。其对粒径大于10微米粉尘的除尘效率达到99.4%。湿式除尘器核心元件“S”型水滴分离装置，可实现对含泥水滴的完全脱除，保证除尘器出口的空气干净，避免二次污染。

二为应用干式除尘器。干式除尘器不需要使用水，对呼吸性粉尘的过滤效果更好，适用于岩巷粉尘的治理。相关的覆膜滤料表面高效过滤技术，即在传统滤料表面涂覆聚四氟乙烯溶液涂层，控制溶液挥发参数，在表面形成均匀分布的微纳孔洞，达到粉尘过滤高效低阻的目的。总尘过滤效率达99.998%，PM2.5过滤效果达96.58%。

干式除尘器自动化运行的关键元件气动式积分器，能够完成对各个滤布模块的定时自动清灰，保证滤布处在高效低阻的过滤阶段的除尘效果，降低除尘器运行阻力。此外，还能实现在掘进和检修期间，不断自动清灰。

在个体防护方面，一为佩戴智能动力送风防尘口罩。作为保障呼吸质量的最后一道屏障，传统口罩一直存在呼吸阻力大、使用时间长、呼气冷凝水多等难题。动力送风防尘口罩内置小型风机，将外界空气经过三次过滤后以正压形式送入呼吸罩内，改善呼吸质量。

二为单兵呼吸健康防护系统。单兵呼吸健康防护系统包括便携式智能过滤送风、流程优化的呼吸送风以及智能联网健康检测三大系统。系统采用全面罩结构形式，可实现对工作人员眼鼻耳的全面防护。

加快推广快速掘进粉尘控制技术

如今，中国煤炭科工集团相关团队已研发出基于粉尘防治与人体健康的快掘技术。其应用可使巷道掘进速度提高3倍以上，暴露在掘进巷道粉尘中的作业人员相应减少2/3。随着掘进智能化的加速推进，快掘系统作业人员将进一步减少，职业健康水平会进一步提高。

该技术主要包括低扰动低粉尘截割滚筒及截割工艺、“三幕”控尘技术创新、高性能机载除尘器、大风量除尘器受限空间移动方式创新、干式锚钻支护除尘系统等。

在低扰动低粉尘截割滚筒及截割工艺方面，根据矿井岩石性质，以试验数据为基础，实现低扰动低粉尘截割滚筒个性化设计；在截割煤炭时，将截割深度延伸到50毫米以上，提高成块率，减少粉尘产生；在截割岩石时，在满足截割深度的情况下，采用掏槽进刀的方式，将截割粉尘封闭。在滚筒与岩壁之间，减少供风将其带出的概率。

在“三幕”控尘技术创新上，第一道防线为截割头外喷雾构建的液态幕（由截割头上的多组外喷雾组成），第二道防线为挡尘构建的固态幕（由截割头后方的挡尘帘组成），第三道防线为附壁风筒构建的空气幕（由附壁风筒产生的空气幕组成）。团队在国家工程实验室进行了“三幕”控尘技术试验，使巷道粉尘综合除尘效率提高到95%以上。

在高性能机载除尘器方面，研制了与掘进机、连采机、掘锚一体机等掘进装备集成的多种型号除尘器。

在大风量除尘器受限空间移动方式创新方面，根据巷道条件，开发了胶带机机架、单轨吊以及履带小车的多种除尘器移动方式。

在干式锚钻支护除尘系统方面，研发了由“空心钻机—空心钻杆—空心马达—旋风除尘器—负压风机”组成的干式钻孔除尘系统，在保证高效钻孔的基础上，解决了人员在操作湿式锚杆过程中受水淋的困扰。

该技术在陕煤集团柠条塔矿业公司井下得到应用。该公司采用掘锚一体机+锚杆转载机后置湿式除尘器的配套方式，在截割半煤岩工况下，操作人员位置粉尘浓度大幅下降，保障了半煤岩掘锚同步作业。

超过130台湿式除尘器在华阳集团、淮北矿业集团、山东能源兖矿能源、陕煤集团等井下的快速掘进系统中配套使用。巷道综合除尘效率超过92%，除尘器后方的呼吸性粉尘浓度每立方米小于2毫克。

此外，在全岩巷道中，粉尘中粒径5微米以下呼吸性粉尘占比超过30%，游离二氧化硅含量也较大，采用干式除尘器效果更佳。

快速掘进粉尘控制技术发展方向

未来，快速掘进粉尘控制有几大发展方向，主要为除尘与巷道通风的协调统一、通风除尘系统智能化运行、建立全矿粉尘智能监控系统。

在除尘与巷道通风的协调统一方面，考虑到除尘器实际使用效果远未到既定目标，需要对矿方原有通风工艺进行改进和调整。需要根据矿井和巷道所属的瓦斯等级，分类别建立基于掘进面除尘效果的通风规范。

第一等级为无瓦斯矿井或巷道：在严格掘进迎头瓦斯监测的情况下，建议采用抽出式通风规程，以保证除尘效果为主要目标；第二等级为低、中级瓦斯矿井或巷道：在实现通风、除尘智能协同控制的集成上，采用长压短抽式+附壁风筒的通风除尘工艺，兼顾通风安全和除尘效果；第三等级为高瓦斯、瓦斯突出矿井或巷道，以通风安全为主要目标，禁止采用除尘器除尘，而采用泡沫除尘。

在通风除尘系统智能化运行方面，建立掘进工作面瓦斯浓度、风速、供风风量、除尘器风量以及粉尘浓度的实时感知系统，全面识别掘进工作面的空气状态。建立供风系统、除尘系统、附壁风筒系统的联动控制策略，以通风安全和粉尘浓度为综合控制目标，实现对掘进工作面通风除尘系统的智能调节。

在建立全矿粉尘智能监控系统方面，研制个体佩戴的呼吸性粉尘在线监测仪、固定岗位粉尘在线监测仪，通过网络将各点粉尘监测数据集中监控。当监测粉尘浓度超标时，自动启动除尘装置或强制停止相关施工设备。研制风筒自动延伸、拆接、吊挂装置，降低工人劳动强度。结合纳米纤维在过滤方面的优势，将其引入煤矿用口罩及干式除尘器的研发，进一步降低过滤阻力，解决个体防护口罩的呼气冷凝水问题。

煤矿工作环境特殊，粉尘防治任重道远。产学研用应紧密结合，产出更多成果，为井下作业人员打造良好的工作环境。（王虹）

来源：中国煤炭报

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0ODE1Nzc2NQ==&mid=2247713360&idx=1&sn=45d7eba9a7a8d2ceb671805da767587b

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